علمي ـ پژوهشي

تصفيه پسابهاي صنعتي آلوده به آمونياک
با استفاده از غشاهاي نانوکامپوزيتي بر پايه پلييورتان استري

هادي جمشيدي
گروه مهندسي شيمي، واحد شيراز، دانشگاه آزاد اسلامي، شيراز ،صندوق پستي 1-31117

شادي حسن آجيلي*+
بخش مهندسي شيمي، دانشکده مهندسي شيمي، نفت و گاز، ، دانشگاه شيراز، شيراز

سيد محمودرضا حجتي
گروه مهندسي شيمي ،واحد شيراز، دانشگاه آزاد اسلامي، شيراز ،صندوق پستي 1-31117

چكيده: غشاهاي زمينه آميخته تشکيل شده از زمينه پليمري و ذرات معدني پراکنده در اندازههاي نانو، نوع تازهاي از غشاها هستند که براي از بين بردن محدوديت غشاهاي پليمري توسعه داده شدهاند. در اين پژوهش غشاهاي زمينه آميخته پلييورتان استري بر پايه پليکاپرولاکتون (PCL) داراي 7 درصد وزني نانوذرههاي سيليکاي اصلاح نشده و سيليکاي فلوئوره با روش قالبگيري حلال تهيه شدند. غشاهاي نانوکامپوزيتي ساخته شده توسط روشهاي گوناگون مانند DSC ،FT-IR و TGA مورد شناسايي قرار گرفتند .ويژگيهاي جداسازي غشاهاي تهيه شده برروي پساب مجتمع پتروشيمي شيراز به وسيله سامانه اسمز وارون آزمايشگاهي مورد بررسي قرار گرفت .نتيجههاي بهدست آمده از غشاهاي پلييورتان/ سيليکا نشان داد که غشاي داراي نانوذرههاي سيليکاي فلوئوره نسبت به سيليکا اصلاح نشده بازدهي مناسبتري براي پسدهي آمونياک از پساب موردنظر به ميزان 26 درصد در فشار 11 بار داشت.
افزايش فشار عملياتي تا 61 بار باعث افزايش ميزان شار عبوري از غشاها شد اما بازدهي را تا حد چشمگيري کاهش داد.
واژههاي كليدي: جداسازي؛ غشا؛ زمينه آميخته؛ پلي يورتان؛ سيليکا.
KEYWORDS: Separation; Mixed matrix membrane; Polyurethane; Silica.

مقدمه
در مجتمع پتروشيمي شيراز در هر ساعت حدود 01 تن آب مقطر با توجه به بحران جهاني آب و کمبود آب در کشور، تصفيه به علت آلوده شدن به آمونياک از سامانه تخليه شده و آب جديد اين پسابها براي استفادهي دوباره از آب و جلوگيري از آلودگي جايگزين ميشود افزون بر اينکه اين مساله بسيار هزينه بر است ساير آب ها بسيار مهم است که در اين راستا ميتوان از فناوري باعث آلودگي محيط زيست و آبهاي سطحي ميشود . غشايي استفاده کرد.

+E-mail: [email protected] عهده دار مکاتبات *
66
استفاده از جداسازي غشايي امروزه در صنايع شيميايي جايگاه خاصي در فرآيندهايي چون اسمزمعکوس ، جداسازي گازي ، صنايع دارورساني، دياليز وغيره دارد [3-0]. ويژگي اساسي غشا کنترل نرخ تراوايي مواد شيميايي است. غشاها با توجه کاربردهايي که دارند هدف خاصي را دنبال ميکنند. در کاربردهاي جداسازي هدف اين است که يک جزء از مخلوط ، آزادانه از غشا عبور کند در حالي که از عبور ساير اجزاء جلوگيري مي کند. در اين پژوهش به يکي از مهمترين کاربردهاي فرايندهاي غشايي که جداسازي توسط سامانه اسمز معکوس است پرداخته شده و ويژگي آنها مورد بررسي قرار گرفته است. بهبود عملکرد و افزايش راندمان غشا در موارد کاربردي آنها، تأثير مستقيم بر اقتصاد فرايند دارد. بنابراين شناسايي عاملهاي تأثيرگذار بر بهبود
توانمندي غشاء در جداسازي توسط اسمزمعکوس از نيازهاي دستيابي به اين هدفها است [4].
آميزه کردن پليمرهاي گوناگون براي ساخت غشاهايي با ويژگيهاي برتر نسبت به اجزاي خالص اوليه آميزه به منظور افزايش راندمان جداسازي همواره مورد توجه پژوهشگران بوده است. بازده جداسازي غشاهاي آميزهاي به طور عمده به ترکيبدرصد ،خواص انتقال و ريزساختار فازها مرتبط ميباشد.
در غشاهاي آميزهاي همگن، تراوايي تحت تأثير برهمکنش بين اجزاي سازنده آميزه ميباشد، در حالي که در غشاهاي آميزهاي ناهمگن، پديدههاي بين سطحي و لاستيکي و يا شيشهاي بودن اجزاي آميزه تأثير بهسزايي بر تراوايي غشاهاي آميزهاي دارد .
در سامانه آميزهاي ناهمگن، جدايش فازها در مقياس ريز يا درشت ممکن است رخ دهد. ميزان ناهمگني و روش ساخت غشا ميتواند بر خواص انتقالپذيري غشاي نهايي تأثيرگذار باشد [6 ، 5] .
جداسازي توسط فناوري غشايي راندمان بالايي دارد و نسبت به روشهاي سنتي پيشين از مواد شيميايي بسيار کمتر استفاده ميشود و حتي در بسياري موارد از هيچگونه ماده شيميايي استفاده نميشود. مطالعات نشان ميدهد افزون بر اختلاط پليمرهاي آلي، اختلاط پليمرهاي آلي و غيرآلي و همچنين افزودن پرکنندههاي غيرآلي، عملکرد غشا را مي تواند بهبود بخشد [7].
فلاحزاده و همکاران توانستند توسط غشاي نانوساختار الياف توخالي پلياترسولفون در حالت بهينه عملياتي يعني فشار 1bar ، سرعت جريان پايين و غلظت پايين خوراک، گازوئيل موجود در پسابهاي صنعتي را به طور کامل جدا کنند ولي افزايش فشار ،سرعت جريان و غلظت خوراک راندمان پايين تري داشت [8].
علمي
)6( Mixed Matrix
سوککسي و همکاران به وسيله غشاهاي الترافيلتراسيون (UF) و انتخاب حلال مناسب الکل – آب با غلظت 61 درصد توانستند پليفنل توليد شده در پسماند ميوههاي گرمسيري را جداسازي کنند.
ساير غلظتهاي حلال عملکرد ضعيفتري داشتند. پليفنل از آنتياکسيدانهاي بسيار کاربردي ميباشد [9].
لاتربوک و همکاران توانستند با استفاده از غشا الياف توخالي از جنس پليپروپيلن، آمونياک موجود در آب را در pH خنثي از غلظت حدود 7 گرم بر ليتر به نزديک 0 گرم بر ليتر برسانند و راندمان 71 درصدي را داشته باشند [01].
فيليپ و همکاران توانستند با استفاده از غشاهاي نانوفيلتراسيون پليآميدي و سامانه اسمزمعکوس در فشار 16bar و دماي محيط ،آمونياک موجود در سامانههاي آبزيپروري با غلظت حدود 01 ميليگرم بر ليتر را با راندمان 75 درصد جداسازي نمايند .
افزايش آمونياک در آب سميت بالايي بر روي آبزيان دارد و بايد به طور دايم ميزان آمونياک موجود در آب کنترل شود [00].
پلييورتانها با مشخصات شيميايي دلخواه و ميکروساختارهاي متفاوت مي توانند گزينه مناسبي در ساخت غشاهاي پليمري باشند. پلييورتانها موادي هستند که از قطعههاي)0( سخت يورتان/ اوره و بخشهاي نرم پلياتر/ پلياستر تشکيل شدهاند .قطعههاي سخت آن از واکنش دي ايزوسياناتها با ديال /ديآمين و بخشهاي نرم آن شامل يک ماکرومولکول اتري يا
استري با وزن مولکولي بالا ميباشد. تنوع در مواد اوليه پلي يورتان ساختارهاي متنوع با خواص متفاوتي را فراهم ميکند.
وجود گروههاي به شدت قطبي و بازي يورتاني در کنار بخشهاي نرم با قطبيتهاي گوناگون از نوع استري )قطبي( يا اتري )کمتر قطبي( در ساختار باعث شده است که گزينهاي مناسب براي کاربردهاي غشايي باشد [03، 01]. يکي از مهمترين روشهاي عملي براي بهبود عملکرد غشاهاي پليمري ترکيب مواد غيرآلي با غشا پليمري است. نتيجه آن ظهور غشاهاي بستر آميخته)1( و نانوکامپوزيتي است که دستيابي به مشخصههاي عملياتي بهتر از جمله گزينش پذيري بالاتر و مقاومت به فشار را فراهم مينمايند.
-43052908408

نانوذره سيليکا فلوئوره که در اين پژوهش استفاده شده است به دليل داشتن پيوندهاي C-F بر روي سطحش، آبگريز بوده و انتظار ميرود با افزودن به غشا پلي يورتان باعث افزايش خاصيت آبگريزي آن شود [04].
)1( Segments
در اين پژوهش از نانوکامپوزيتهاي يلييورتان بر پايه پليکاپرولاکتون و نانوذرات معدني سيليکا و سيليکاي فلوئوره براي تصفيه پساب آلوده به آمونياک در مجتمع پتروشيمي شيراز به روش اسمزمعکوس استفاده شده است. همچنين غشاهاي آماده شده با آزمونهاي گوناگون مانند DSC ،FT-IR و TGA مطالعه شد و اثر نوع نانوذره و فشار عملياتي بر بازدهي جداسازي بررسي شد.

بخش تجربي مواد و روشها
پليکاپرولاکتون (Mw= 2000 g/mol) به عنوان پليال ، 0و4 بوتانديال به عنوان زنجيرافزا، ايزوفرنديايزوسيانات)0( (IPDI) به عنوان بخش سخت زنجير پلييورتان، دي- متيلفرماميد به عنوان حلال و ديبوتيل تين دي لورات به عنوان کاتاليست از شرکت مرک آلمان تهيه شدند. سيليکاي اصلاح نشده به عنوان نانوذره معدني در غشا نانوکامپوزيتي مورد استفاده قرار گرفت و از شرکت سيگما-آلدريچ تهيه شد. نانوذره سيليکاي اصلاح شده بر پايه سيليکاي فلوئوره مطابق با روش ارايه شده در پژوهشهاي پيشين تهيه شد [04].
واکنش پليمرشدن پلييورتان در يک راکتورشيشهاي
151 ميليليتري با درپوش تفلوني )با 3 ورودي( انجام شد .
به منظور اطمينان از خشک بودن راکتور، پيش از استفاده بهمدت 14 ساعت در دماي 95 درجه سلسيوس قرار گرفت. يکي از وروديهاي راکتور براي ورود ميله همزن، يکي ديگر براي ورود نيتروژن خشک و ديگري براي ورود مواد اوليه استفاده شد.
از همزن مکانيکي ساخت شرکت هايدولف )آلمان( استفاده شد .
پره همزن از نوع لنگري بوده که امکان اختلاط مناسب مواد اوليه و پليمر توليدي را در هنگام واکنش را فراهم ميکرد.
گاز نيتروژن با خلوص 99/99 درصد )شرکت اردستان گاز- ايران- اصفهان( ابتدا از يک بستر سولفوريک اسيد غليظ عبور داده شده و پس از گذشتن از يک بستر سيليکاژل بهمنظور اطمينان
-392421132688

از نبود رطوبت در جريان گاز به راکتور وارد ميشد. مواد اوليه توسط يک پيپت و از ورودي تعبيه شده در درب راکتور، به محيط واکنش افزوده ميشد. براي اطمينان از رسيدن به دماي مورد نياز براي انجام واکنش از يک حمام روغن سيليکون استفاده شد. شکل 0 سامانه و تجهيزات مورد استفاده در سنتز پلي يورتان را نشان مي دهد.
)7( Bulk

شکل 1ـ تصويری از راکتور آزمايشگاهي مورد استفاده در تهيه پلييورتان.

روش تهيه پلييورتان استري بر پايه پليکاپرولاکتون
پلييورتانها از روش دو مرحلهاي تهيه شدند. در روش تهيه دو مرحلهاي ابتدا ديايزوسيانات به همراه پليال وارد ظرف واکنش شده و واکنش تا اتمام دي ايزوسيانات پيش ميرود.
در اين مرحله يک پيش پليمر با وزن مولکولي بالا تهيه ميشود .
اين پيشپليمر خواص مکانيکي مناسبي ندارد، از اين جهت در مرحله دوم واکنش، پيشپليمر تهيه شده با زنجيرافزا وارد ظرف واکنش شده و با گسترده شدن زنجيره، پلييورتان با ويژگيهاي و وزن مولکولي مناسب توليد خواهد شد [05].
واکنش تهيه پلييورتان به رطوبت بسيار حساس است بنابراين مواد اوليه مورد استفاده در تهيه بايد پيش از استفاده بهطور کامل خشک شوند. بدين منظور تمام پليالها پيش از استفاده به مدت 14 ساعت در آون خلاء و در دماي 85 درجه سلسيوس خشک شدند.
0و4- بوتان ديال که به صورت مايع است توسط غربال مولکولي)1( با اندازه 4 انگسترم خشک شد و دي ايزوسياناتهاي مورد استفاده بدون هيچ نوع آمادهسازي مورد استفاده قرار گرفتند .
در تهيه پلييورتانهاي بر پايه PCL، واکنش پليمرشدن به صورت تودهاي)3( انجام پذيرفت. واکنش پليمرشدن دو مرحلهاي
)1( Isophorone Diisocyanate
)6( Molecular Sieve
63
-9915-1928



قیمت: تومان

دسته بندی : شیمی و مهندسی شیمی

دیدگاهتان را بنویسید